《AFM·综述》生物医学、环境和工业应用的纳米水凝胶的设计和制造

摘要

纳米颗粒网络水凝胶 (NNHs) 在其中纳米颗粒被用作构建凝胶网络的关键构建块，由于它们有潜力利用两种水凝胶的有利特性（例如亲水性、可调孔径、力学等），因此引起了人们极大的兴趣。和各种不同的纳米粒子（例如，高表面积、化学活性、独立可调的孔隙率、力学）来创造新的功能材料。

最近，麦克马斯特大学Todd Hoare教授团队全面回顾了 NNHs 设计和使用的最新进展，重点是定义了 NNHs 可以实现的典型凝胶形态/结构、用于制造 NNHs 的典型交联方法、NNHs 的基本特性和功能优势，以及 NNH 在电子（柔性电子、传感器）、环境（吸附剂、分离）、农业、自清洁材料和生物医学（药物输送、组织工程）应用中的报告应用。特别强调了在每个应用中应用 NNH 结构来提高水凝胶性能的方式，目的是开发一套可用于合理设计 NNH 以供未来使用的原则。相关论文以题为A Review of Design and Fabrication Methods for Nanoparticle Network Hydrogels for Biomedical, Environmental, and Industrial Applications的综述发表在《Advanced Functional Materials》上。

图解

在纳米粒子作为本体凝胶网络的一种或唯一构建块积极参与交联的情况下，可能性被解锁，在这种情况下，NC 水凝胶被称为纳米粒子网络水凝胶 (NNH) （图1）。

图1 传统 NC 水凝胶和 NNHs 的比较。在 NCs 中，纳米粒子（灰色球体）被物理封装在聚合物水凝胶网络中（黑线）；在 NNHs 中，NPs 直接参与网络的交联。

NNHs 的性质

NNH 的架构/形态

图2 NNH 的结构和形态。

电极

图3 具有由氧化还原活性 NP 交联剂控制的超级电容特性的 NNH 电极。

电解质

图4 用于改善 NNH 电解质机械性能的软胶束 NP 交联剂。

图5 由导电 NNH 电极 (GCP@PPy) 和柔性 NNH 电解质 (GP) 制成的全凝胶超级电容器。

化学检测

图6 用于电化学传感的明胶-GO双网络NNH。

环境吸附剂

图7 基于将 Laponite NPs 连接到聚合物基质的物理相互作用和将 Laponite NPs 连接到 SiO2 NPs 的共价键的组合，用于从水中吸收/去除染料的 NNH 环境吸附剂的示例。

膜分离/过滤

图8 A) 通过首先表面接枝线性聚合物，然后与氧化铁纳米颗粒原位交联以形成 NNH 来制造磁响应 NNH 膜。B) 由于氧化铁纳米颗粒“纳米加热器”局部加热时 NNH 的刺激响应性，膜允许孔隙率发生可逆变化，从而允许创建可调分子筛。

用于农业或作为涂层的车辆的受控交付

图9 基于功能化玉米醇溶蛋白纳米粒子的 NNH，带有植物驱虫剂/油（香叶醇和丁子香酚），通过物理缠结和氢键交联，使用羧甲基纤维素 (CMC) 和羟乙基纤维素 (HEC) 保护植物。

工程扩散释放曲线

图10 丝纳米颗粒-聚合物 NNH 可以证明两种药物释放曲线：一种是药物在网络本身内的突释，另一种是基于纳米颗粒相中药物的控制释放。

引入化学亲和基团来控制释放

图11 “覆盆子簇”直接聚合物桥接 NNH，其中 PEGSH 端基将相邻的 CHPANG 微凝胶结合在一起，形成基于 NNH 的药物递送载体。

促进长期生物渗透和尺寸转换

图12 基于羧甲基壳聚糖和氧化淀粉纳米粒子 (SNP) (<20 nm) 通过希夫碱交联的鼻内李子布丁 NNH 喷雾剂。

图13 基于不同尺寸的阳离子 PLGA 纳米颗粒和阴离子羟基磷灰石 (HAp) 纳米颗粒的静电胶体 NNH，形成具有平衡孔隙率和机械性能的大块凝胶，用作可注射的骨填充剂。

参考文献：

doi.org/10.1002/adfm.202102355

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